Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Leyes de la Termodinámica


La termodinámica es una rama esencial de la física que trata con la relación entre el calor y otras formas de energía como la energía mecánica, eléctrica o química. En su núcleo, la termodinámica describe cómo se transfieren las diferentes formas de energía dentro de un sistema cerrado o entre diferentes sistemas. Las leyes de la termodinámica definen estos procesos y establecen límites en cómo la energía puede transformarse y utilizarse. Hay cuatro leyes fundamentales de la termodinámica, a menudo numeradas de cero a tres, cada una de las cuales describe principios importantes para comprender las interacciones de energía en física e ingeniería.

Ley cero de la termodinámica

La ley cero de la termodinámica establece el concepto de temperatura como una propiedad fundamental y medible de los sistemas termodinámicos. Según esta ley:

Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, estarán también en equilibrio térmico entre sí.

Esta ley sirve como la base principal para el concepto de temperatura y su medición. Si el sistema A está en equilibrio con el sistema C, y el sistema B también está en equilibrio con el sistema C, entonces significa que los sistemas A y B están en equilibrio entre sí.

A ≈ C
B ≈ C
=> A ≈ B

Por ejemplo, considere dos tazas de té. Si ambas tienen la misma temperatura que un termómetro, entonces deben tener la misma temperatura que cada una. La ley cero permite la definición de una escala de temperatura, haciendo posible medir y comparar temperaturas.

Ejemplo: Identificación del equilibrio térmico

Imagina que tienes tres recipientes llenos de diferentes sustancias: agua, aceite y aire. Usamos un termómetro (nuestro tercer sistema) para medir la temperatura de cada uno. Si el termómetro lee la misma temperatura para los tres, entonces, según la ley cero, las tres sustancias están en equilibrio térmico entre sí.

Sistema A Sistema B Sistema C Té

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica a menudo se llama la ley de conservación de la energía. Afirma:

La energía total de un sistema aislado es constante. La energía no puede ser creada ni destruida, pero solo puede ser convertida de una forma a otra.

En expresión matemática, esto puede escribirse como:

ΔU = Q – W
  • ΔU es el cambio en la energía interna del sistema.
  • Q es el calor añadido al sistema.
  • W es el trabajo realizado por el sistema sobre su entorno.

La primera ley implica que cualquier aumento en la energía interna de un sistema es resultado del calor añadido al sistema o del trabajo realizado sobre el sistema.

Ejemplo: Calentamiento y expansión de un gas

Considere un pistón lleno de gas. Cuando el gas se calienta, se expande, empujando el pistón hacia afuera. Aquí:

  • El calor añadido (Q) hace que las moléculas de gas se muevan más rápido, aumentando la energía interna (ΔU).
  • Este sistema realiza trabajo (W) sobre el entorno al empujar el pistón hacia afuera.
Calor Gas Trabajo

En este escenario, si mides la cantidad de calor añadido Q y el trabajo realizado W, puedes determinar el cambio en la energía interna ΔU del gas usando la primera ley.

Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica introduce el concepto de entropía, que a menudo se interpreta como una medida del desorden o aleatoriedad en un sistema. Esta ley afirma:

La entropía total de un sistema aislado nunca puede disminuir con el tiempo. Puede permanecer constante en procesos reversibles, pero aumenta en procesos irreversibles.

En resumen, esta ley implica que los procesos naturales tienden hacia un estado de máximo desorden o entropía. Esto tiene implicaciones profundas para la dirección de la transferencia de calor y la eficiencia de los motores.

Motores térmicos y eficiencia

Considere un motor térmico que opera entre dos reservorios: un reservorio caliente y un reservorio frío. Según la segunda ley, el motor nunca puede convertir todo el calor (Q_h) absorbido del reservorio caliente en trabajo (W). Algo de energía inevitablemente va al reservorio frío como calor residual (Q_c).

η = 1 - (Q_c / Q_h)
  • η es la eficiencia del motor térmico.
  • Q_c es el calor expulsado al almacenamiento en frío.
  • Q_h es el calor absorbido del almacén caliente.

Ningún motor que opere entre dos reservorios de calor puede ser más eficiente que el motor de Carnot, que opera de manera completamente reversible.

Caliente Frío Motor q_h q_c W

Ejemplo: Entropía en el mundo real

Imagina que tienes una taza de café caliente dejada a temperatura ambiente. Con el tiempo, el café se enfría a medida que el calor fluye del café al aire. Este proceso es irreversible, lo que significa que no puedes devolver el calor del aire al café naturalmente sin trabajo externo. Este proceso implica un aumento en la entropía, ya que más energía se dispersa en el entorno.

Tercera ley de la termodinámica

La tercera ley de la termodinámica se refiere a las propiedades de los sistemas a temperatura cero absoluta. Afirma:

A medida que la temperatura de un sistema se acerca a cero absoluto, la entropía de una estructura cristalina perfecta se aproxima a cero.

Esta ley implica que es imposible alcanzar el cero absoluto mediante un número finito de procesos y que todos los procesos en un sistema cesan a cero absoluto porque la entropía es mínima y todo movimiento molecular se detiene. El cero absoluto es teóricamente la temperatura más baja posible, donde la energía térmica del sistema es mínima.

Ejemplo: Enfriamiento cerca del cero absoluto

Los laboratorios de investigación usan varios métodos, como el enfriamiento por láser y la refrigeración por dilución, para alcanzar temperaturas a solo un grado por encima del cero absoluto. Aunque el cero absoluto verdadero es imposible de lograr, los científicos pueden aproximarlo muy de cerca y observar efectos mecánicos cuánticos únicos.

Casi cero absoluto T ≈ 0

Comprender estas leyes fundamentales de la termodinámica es crucial para explicar y predecir cómo se comportan los sistemas de energía. Estos conceptos abren una amplia gama de aplicaciones, desde la generación de energía y la refrigeración hasta entender el destino último del universo.


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